Toyota liderem technologii hybrydowej

Hybrydy to dziś najważniejszy napęd w gamie Toyoty. W ciągu 23 lat doświadczeń Toyota opracowała 4 generacje napędu hybrydowego, a wspólnie z marką Lexus oferuje obecnie 44 modele hybrydowe i sprzedała ponad 15 milionów tych samochodów. Hybrydy obu marek pokonują łącznie 0,5 miliarda kilometrów dziennie.

Hybrydy 4. generacji w czasie jazdy po mieście są w stanie pokonać większość trasy wyłącznie na silniku elektrycznym. Wykazują się rekordowo niskim spalaniem i emisją CO2 oraz substancji toksycznych, zapewniając Toyocie i Lexusowi spełnienie nowych bardzo rygorystycznych norm emisji spalin. Hybrydy przyczyniają się także do radykalnego obniżenia emisji niespalinowych – dzięki hamowaniu z wykorzystaniem rekuperacji zostało znacząco ograniczone ścieranie klocków hamulcowych. Jednocześnie prostota konstrukcji hybrydowego układu napędowego gwarantuje wysoką niezawodność.

Konstrukcja napędu hybrydowego Toyoty

Hybryda to połączenie silnika benzynowego i elektrycznego, generatora oraz akumulatora trakcyjnego. Całością steruje komputer za pośrednictwem przekładni planetarnej, która stanowi serce układu. Przekładnia planetarna składa się z kilku kół zębatych. Jest zwarta, lekka i nie zawiera sprzęgieł ani pasów. Układ poszczególnych zębatek jest kluczowy dla funkcjonalności napędu hybrydowego Toyoty i jest objęty patentem.

To dzięki przekładni samochód hybrydowy może ruszyć bez uruchomienia silnika benzynowego, korzystać w pełnym zakresie prędkości auta z wąskiego przedziału najbardziej efektywnych obrotów jednostki spalinowej oraz ładować baterię podczas postoju samochodu.
Równie istotną rolę odgrywają dwa silniki elektryczne. Silnik MG1 pełni rolę generatora, który – zmieniając swoje obroty – może przekierowywać część energii z silnika spalinowego do ładowania baterii w czasie jazdy. Generator MG1 pełni także rolę rozrusznika. MG2 jest na stałe połączony z kołami, a wsparcie z silnika benzynowego jest do niego dołączane poprzez układ zębatek.

 

Przekładnia hybrydowa nowej konstrukcji

Przekładnia hybrydowa to połączenie w jednej obudowie przekładni planetarnej i dwóch maszyn elektrycznych MG1 i MG2. Aż do 3. generacji układu hybrydowego Toyoty silniki elektryczne były ułożone na jednej osi. Opracowując najnowszą generację, konstruktorzy umieścili silniki MG1 i MG2 na dwóch równoległych osiach, co pozwoliło zmniejszyć szerokość przekładni o 47 mm i jej masę o 20%.

Silniki elektryczne również zostały mocno przebudowane. Są mniejsze i lżejsze, a ich uzwojenie zmieniono na segmentowe, co zwiększa jego przekrój i umożliwia większe natężenia prądu. To przekłada się na większą moc i moment obrotowy, a jednocześnie ogranicza straty i ryzyko zwarcia. W porównaniu z pierwszym Priusem, hybrydy 4. generacji dysponują silnikami elektrycznymi o niemal trzykrotnie większej maksymalnej prędkości obrotowej (wzrost z 6000 obr./min do 17 000 obr./min). Dzięki temu prędkość maksymalna samochodu w trybie EV wzrosła z 50 do 130 km/h. Zastosowanie najnowszej generacji systemu redukcyjnego zwiększyło z kolei maksymalny moment obrotowy na kołach o 60%.

Dzięki szczególnej budowie przekładni planetarnej możliwa jest praca w trybie bezstopniowym. Pozwala to uniknąć pracy silnika benzynowego w nieoptymalnym zakresie. Dla porównania, konwencjonalne skrzynie biegów istnieją po to, żeby sparowany z nimi silnik mógł osiągnąć punkt najwyższej sprawności (i najniższego zużycia paliwa) przy różnych prędkościach auta. Przekładnia planetarna jest pod tym względem nieporównanie bardziej skuteczna – płynnie dostosowuje obroty generatora tak, aby obroty silnika spalinowego były stale utrzymywane w punkcie najwyższej sprawności. To pozwala oszczędzić paliwo i ograniczyć zużycie silnika, wydłużając jego żywotność.

Działanie przekładni hybrydowej

Zasady działania przekładni hybrydowej nie zmieniły się od 23 lat. Rozruch silnika benzynowego odbywa się za sprawą MG1. W tym czasie MG2 jest kontrolowany tak, aby uniemożliwiał ruch samochodu. Dzięki temu auto hybrydowe nie potrzebuje systemu wspomagania ruszania na wzniesieniu. Podczas postoju z włączonym silnikiem benzynowym, MG1 służy za generator, ładując baterię. Hybryda może ruszyć i nabierać prędkości z małym obciążeniem także w trybie EV. Wówczas jedynym źródłem napędu jest silnik MG2. Generator MG1 obraca się w tym czasie swobodnie, nie generując prądu.

Podczas zwykłej jazdy wszystkie komponenty uczestniczą w działaniu napędu. Regulacja prędkości MG1 powoduje rozdział energii wytworzonej przez silnik spalinowy. Część trafia na koła, a pozostała część może zostać zmagazynowana w baterii.

Podczas zwalniania lub hamowania, koła obracają silnikiem MG2 i zaczyna on działać jak generator, ładując baterię. To powoduje, że samochód wytraca prędkość bez użycia hamulców, które włączają się tylko pod koniec procesu zatrzymywania lub przy gwałtownym hamowaniu. Dzięki temu klocki hamulcowe ścierają się nieporównanie wolniej niż w konwencjonalnych samochodach. Przekłada się to zarówno na niższe koszty użytkowania auta, jak i na znacznie mniejszą emisję cząstek stałych niepochodzących ze spalin.

Za emisję szkodliwych substancji z transportu w mieście tylko w połowie odpowiadają spaliny, natomiast druga połowa to emisje niespalinowe, z których 50% to pył z klocków hamulcowych, 10% pochodzi ze ścierania opon, a 40% stanowi wzbity kurz. Radykalne ograniczenie zużycia klocków hamulcowych przekłada się zatem na zauważalne zmniejszenie emisji generowanych przez samochody.

Falownik i konwerter Boost

Falownik to niezbędny komponent układu hybrydowego, który zmienia prąd stały na zmienny i odwrotnie. Dzięki temu jest możliwe ładowanie i rozładowywanie baterii. W napędzie hybrydowym 4. generacji Toyota stosuje kompaktowe i lekkie urządzenie składające się z falownika i konwertera typu Boost, które jest o połowę lżejsze od samego falownika z pierwszej generacji hybryd. Nowy falownik jest też bardzo wydajny – dokonuje do 10 tys. operacji na sekundę. Ponadto ma niezależne chłodzenie oparte na oddzielnej pompie elektrycznej, która obniża jego temperaturę do 50°C – tymczasem system chłodzenia silnika utrzymuje temperaturę 82°C. Jednym z atutów napędów hybrydowych Toyoty, które decydują o przewadze tej technologii nad rozwiązaniami innych producentów, jest konwerter Boost. Przekazując energię z baterii do silnika, podnosi on napięcie ponaddwukrotnie. Dzięki temu bateria pracuje przy niższym napięciu, zaś silnik elektryczny z nowym uzwojeniem korzysta z bardzo wysokiego napięcia do 600 V–650 V (silnik elektryczny Priusa 1. generacji miał napięcie 273,6 V). To przekłada się na większą moc silnika (72 KM zamiast 45 KM) i pozwala na powiększenie zakresu obrotów z maksymalnym momentem obrotowym silnika elektrycznego.

Nowy akumulator litowo-jonowy

Toyota wprowadziła konwerter Boost do swojego układu hybrydowego w Priusie 2. generacji. Była to rewolucyjna zmiana, która pozwoliła zastosować baterię trakcyjną nawet o 3-krotnie mniejszym napięciu nominalnym niż napięcie silników elektrycznych. Zmniejszono także liczbę ogniw baterii z 228 do 168, co pozwoliło ograniczyć jej wielkość i umieścić pod podłogą.

Bateria, choć stosunkowo niewielka, jest cały czas doładowywana dzięki wydajnemu systemowi odzyskiwania energii, opartemu na pracy obu silników elektrycznych. Jej wysoka wydajność sprawia, że służy nie tylko do zasilania silnika elektrycznego, ale także elektrycznych pomp chłodzenia falownika i motoru benzynowego oraz systemów i urządzeń pokładowych takich jak radio czy klimatyzacja, które mogą długo działać na postoju.

Nowa bateria ma wyższą sprawność – szybciej przyjmuje i oddaje energię. Dzięki temu może obsłużyć mocniejszy silnik elektryczny. O jej trwałość dba sprawdzony system, który utrzymuje poziom jej naładowania w zakresie 20–80%. To wraz z wydajnym niezależnym chłodzeniem sprawia, że baterie hybrydowe Toyoty bardzo często są sprawne tak samo długo jak cały samochód. Gdyby jednak potrzebna była ich konserwacja, Toyota ma do zaoferowania specjalną gwarancję do 10 lat oraz możliwość wymiany pojedynczych modułów.

Silnik HybridDynamic Force

Całkowicie nowe silniki HybridDynamic Force wykazują się sprawnością cieplną na poziomie aż 41%. Zastosowano w nich wyższy stopień sprężania 14:1 oraz węższe i dłuższe cylindry, co przyspieszyło spalanie. Zaletą tego rozwiązania jest lepsza kontrola temperatury i ciśnienia. Ponadto silnik jest chłodzony układem z elektryczną pompą, która pracuje również wtedy, gdy silnik jest wyłączony. To zwiększa jego trwałość i pozwala na częste wyłączanie go podczas jazdy bez obawy o uszkodzenie. Ma to tym większe znaczenie, że hybrydy 4. generacji przez większość czasu poruszają się z wyłączonym silnikiem benzynowym.

Silniki HybridDynamic Force, podobnie jak wszystkie montowane w hybrydowych samochodach Toyoty, wykorzystują cykl Atkinsona, w którym zawory dolotowe są otwarte dłużej, przez co suw sprężania jest opóźniony. Oznacza to odprężenie silnika, poprawę wydajności i zmniejszenie zużycia paliwa, przy nieco mniejszej mocy, kompensowanej mocą silników elektrycznych.

Najnowocześniejszy napęd hybrydowy na rynku

Nieustanny rozwój technologii hybrydowej Toyoty, trwający ponad 2 dekady, sprawił, że hybrydy marki nie mają sobie równych pod względem zaawansowania, oszczędności, wydajności i wrażeń z jazdy. Dopracowanie każdego elementu i dbałość o najwyższą jakość produkcji przekładają się także na ich niezawodność.

Miniaturyzacja komponentów napędu hybrydowego, uzyskana przy jednoczesnym wzroście sprawności i osiągów, przekłada się na długą listę przewag konkurencyjnych hybryd względem ich konwencjonalnych odpowiedników. Dla przykładu Corolla Hybrid 1.8 waży tylko o 20 kg więcej od benzynowej Corolli 1.2 Turbo. Mniejsze elementy pod maską pozwoliły na bardziej optymalne mocowanie zawieszenia, co przekłada się na większą zwrotność. Nowy Yaris Hybrid ma promień skrętu tylko 5,2 m, o 0,3 m mniej od poprzedniej generacji. Miniaturyzacja sprawia także, że hybrydy mają tak samo przestronne wnętrze i bagażnik jak konwencjonalne samochody, a pojazd tylko zyskuje na stabilności dzięki obniżonemu środkowi ciężkości oraz optymalnemu rozkładowi elementów.

Hybrydy 4. generacji są o 41% bardziej wydajne od słynnego Priusa z 1997 roku. W wyniku niskiego zużycia paliwa oraz ogromnej popularności, hybrydy Toyoty pozwoliły do dziś uniknąć emisji ponad 120 milionów ton CO2 do atmosfery. Dopracowana przekładnia planetarna z mocniejszym silnikiem elektrycznym i ultraszybkim sterowaniem za pośrednictwem falownika i konwertera sprawiają, że hybrydy 4. generacji poruszają się w miejskich warunkach na samym silniku elektrycznym przez większość czasu jazdy. Potwierdzana przez lata niezawodność wywołuje duże zainteresowanie hybrydami na rynku wtórnym – chętnie sięgają po nie taksówkarze, którzy szczególnie cenią w swojej pracy Priusy, Aurisy i Corolle.

Maciej Chomacki